分布式光伏電站遠程監控系統的設計與應用*

楊 杰

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

分布式光伏電站遠程監控系統的設計與應用*

楊 杰

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

以山西某生物發電有限公司1.52MW分布式光伏發電并網系統為基礎，設計了一種分布式光伏電站遠程監控系統。系統主要有設備數據實時采集與顯示、設備遠方調度、設備故障信息檢測、功率預測與優化調度等功能。經現場安裝調試，系統達到相關標準和技術要求，運行情況良好。

光伏電站； 遠程監控； 設計； 應用

當前，全球不可再生能源形勢緊張，氣候變暖，各國都在積極尋求新能源代替不可再生能源[1]。我國太陽能資源豐富，太陽能作為新能源的代表，具有較好的市場前景[2]。光伏發電將光能轉化為電能，是一種零污染、零排放發電形式[1-4]。隨著光伏技術的快速發展，越來越多的光伏發電站投入運行[5-7]。由于光伏電站大多運行在無人值守，且并網發電控制復雜的環境中，因此實現對光伏電站遠程監控意義重大[8-9]。筆者以山西某生物發電有限公司峰值功率1.52MW分布式光伏發電并網系統為背景，論述了光伏電站遠程監控系統的設計思想和應用實例。

1 系統功能

遠程監控系統通過采集設備的開關量、電氣量、保護信息及報警信息并進行進一步處理，保證光伏發電站安全穩定運行，具體有以下功能。

(1) 設備數據的實時采集與處理。實時采集光伏陣列信息、氣象站環境參數、逆變器輸出信息、電池能量轉換系統(PCS)和電池信息等數據，傳輸至遠程監控系統，并依據要求對數據進行預處理，存儲于實時數據庫和歷史數據庫供遠程監控系統調用。

(2) 監控數據的顯示。主要包括實時數據和歷史數據的顯示。監控界面根據需要調用實時數據庫，更新界面數據信息。系統可依據用戶需求顯示模擬量動態曲線。此外，遠程監控系統還可調用歷史數據和歷史曲線供用戶查看。

(3) 設備報警信息及故障的檢測。實時檢測光伏發電站運行狀態，在設備出現故障時遠程監控應立即發出報警信息，并顯示故障的時間和故障原因，依據故障的嚴重程度發出不同的報警信息，通知操作員進行故障處理。用戶可查詢不同時間段的報警信息。

(4) 設備的遠方調度。依據電站運行性能要求，操作員可在遠程監控系統對設備進行遙調、遙控操作，從而控制設備的運行狀態，以保證系統安全可靠地運行。

(5) 打印功能。用戶可依據自身需求對監控日志、報警記錄、報表、歷史數據等進行打印，以方便查看。

(6) 功率預測與優化調度[10]。用戶依據當天的光照強度及前 25d 的光伏電站發電功率預測當天的發電功率。此外，依據光伏電站當天的發電功率及電池管理系統電池電量，控制電池的充發電狀態。

2 系統總體設計

分布式光伏電站遠程監控系統總體結構如圖1所示，主要包括設備數據采集、數據傳輸網絡組網、監控系統設計三個部分。系統實現現場數據的采集、傳輸、處理、管理等功能，以保證光伏發電系統安全穩定運行。設備數據采集部分主要通過通信管理機采集設備各項運行參數和狀態量，如光伏陣列信息、環境參數、逆變器參數、儲能電池參數等。數據傳輸網絡組網的功能是通信管理機將采集的設備運行參數遵照電力104規約轉發給監控軟件實現的。監控軟件接收到數據后以圖形或數值的方式直觀展現，以便用戶查看各個設備的運行狀態，同時可對設備進行控制。當光伏發電系統檢測到異常時主動向監控系統發送異常信號，以便用戶及時處理。用戶可方便查看歷史數據、異常記錄，并可預測當天的光伏電站發電功率。

圖1 分布式光伏電站遠程監控系統總體結構

3 系統通信

系統通信連接如圖2所示，主要包括通信管理機與現場設備之間的通信和通信管理機與監控系統之間的通信。系統通信流程為：通信管理機通過Modbus協議采集各設備的實時數據，并通過104規約將數據轉發給監控系統，由監控系統對數據進行處理、顯示和存儲。

3.1 Modbus通信

Modbus通信方式為問答式[11]。圖2中光伏逆變器、氣象站、智能斷路器均采用菊花鏈模式連接，即將設備的RS485通信線首尾相連。斷路器與PCS的RS485通信線直接與通信管理機串行通信接口相連，其通信協議為Modbus-RTU。因為光伏逆變器的數量多且單個逆變器數據量比較大，所以配備數據采集器可對多個逆變器并行處理數據。數據采集器與通信管理機的物理連接是網線，其通信協議為Modbus-TCP。本系統中通信管理機只提供兩個網口，其中一個網口供監控系統使用，另一個網口不能同時連接兩臺數據采集器，因此采用網絡交換機進行連接。

圖2 系統通信連接

3.2 電力104規約通信

通信管理機與監控系統連接方式為網線，通信協議為104規約，其中通信管理機作為服務端，監控系統作為客戶端。客戶端每 15min 向服務端發送總召喚，每 10min 發送一次對時，每 5min 發送一次電能召喚。當遙測、遙信發生突變時，服務端主動將數據推送至客戶端，由監控軟件對數據進行處理、顯示和存儲。同時，客戶端可下發指令至服務端，由服務端對設備進行操作。

4 系統軟件

系統軟件主要用于對系統進行監測、運行控制和分析管理，將采集的設備數據以圖表、數值的形式進行顯示。當設備出現故障時，系統軟件將故障詳細信息推送到界面，并發出報警，通知操作員進行相應處理。為了保證系統安全可靠運行，操作員可通過系統軟件對設備進行遠方調度以保證電站的運行性能。通過系統軟件的歷史數據庫和實時數據庫，系統可對光伏電站的發電功率進行相關預測，從而有助于能量調度。

4.1 系統軟件架構

系統軟件架構如圖3所示。系統軟件采用三層結構即視圖展現層、業務邏輯層、數據層。其中數據層包括數據傳輸層和數據存儲層。

(1) 視圖展現層的功能是用于響應用戶控制要求，將所需監控的數據、故障狀態以圖表曲線形式表示給用戶，以方便用戶對設備的運行狀態做出決策。

(2) 業務邏輯層主要負責整個系統的協調運行、數據交互，包括兩個線程：數據采集線程和控制命令線程。數據采集線程將通信管理機轉發的數據進行解析顯示，控制命令線程將用戶操作的命令轉換為104規約報文下發，用于對設備的操作和故障進行處理。

(3) 數據層主要負責與數據庫交互，將采集的設備數據存儲于數據庫中，同時將最終數據結果反饋至業務邏輯層，并為視圖展現層提供歷史數據和報警數據，以及用戶設置和系統配置的記錄等。

4.2 系統軟件功能

系統軟件功能如圖4所示，主要包括實時數據監視、故障報警、報表管理、設備控制、能量管理、數據存儲、參數配置等。

(1) 實時數據監視包括設備監視和曲線監視。用戶可查看設備的運行狀態及運行參數，同時用戶可依據監控界面的數值和曲線判斷設備是否運行正常。

(2) 故障報警主要包括實時故障報警和歷史記錄報警。當設備出現運行故障時，其故障狀態可在監控界面上直觀展示，同時向操作員發出報警聲響，以便操作員及時處理。為方便操作員查看設備原先發生的故障狀態，系統提供歷史故障記錄存儲功能。

(3) 報表管理主要包括報表查看和報表打印功能。用戶可通過報表管理功能查看歷史數據、實時數據、故障記錄等。根據需要，用戶還可對報表進行打印。

圖3 系統軟件架構

圖4 系統軟件功能

(4) 設備控制主要包括開關量控制和模擬量控制，即遙調和遙控功能。用戶可根據設備的運行狀態對設備進行參數設定和狀態控制。

(5) 能量管理主要包括能量預測和實時控制。系統可依據當天的光照強度及前25天光伏電站的發電功率對發電功率進行預測，并描繪出預測曲線。同時，系統依據當天光伏電站的發電功率及儲能電池電量值對電池狀態進行控制。

(6) 數據存儲主要包括實時數據的存儲和歷史數據的存儲。實時數據指從設備采集的即時數據，可用于判斷當前設備的運行狀態。歷史數據指設備前5min 的運行狀態，用戶可根據歷史數據判斷前一時刻設備的運行狀態。

(7) 參數配置主要包括通信參數的配置和越限參數的配置。為方便數據傳輸，所采集的設備數據將乘以一定的倍率，因此系統得到真實數據時需除以一定的倍率。用戶可根據通信協議對通信參數進行配置，以確保獲取真實值。越限參數的配置是指用戶需設定設備的運行閾值，當設備運行參數超過或小于該閾值時，系統將向操作員發出報警，以保證設備安全穩定地運行。

5 結論

山西某生物發電有限公司1.52MW分布式光伏發電工程已于2015年12月7日并網運行，遠程監控系統運行穩定。系統監控界面數據刷新短于1s，界面調用響應時間短于 1s，控制命令響應時間短于1s，能量預測誤差小于5%，系統的運行功能都達到相關標準和技術要求。

這一系統為光伏電站的穩定、安全運行提供了可靠的保障，用戶能夠及時監控光伏電站的運行狀態。當設備發生故障時，系統及時通知用戶并對故障進行處理。這一系統提高了光伏電站的運行效率和管理水平，節省了人力、物力、財力，取得了較好的經濟效益和社會效益。

[1] 查曉明，劉飛.光伏發電系統并網控制技術現狀與發展(上)[J].變頻器世界，2010(2)：37-42，82.

[2] 張筱文，鄭建勇.光伏電站監控系統的設計[J].電工電氣，2010(9)：12-16，20.

[3] 繆進榮.太陽能光伏電站監控系統的研究與實現[D].北京：北京交通大學，2012.

[4] 杜寶江.BIPV光伏發電系統虛擬展示裝置的研究[J].裝備機械，2010(1)：34-38.

[5] 曾樂才.分布式能源與微網技術發展研究[J].上海電氣技術，2013，6(1)：50-56.

[6] 張文建，何玉林，劉健.中國太陽能資源利用現狀及發展趨勢[J].裝備制造技術，2014(11)：137-138.

[7] 李雷，洪旭旭，楊春.光伏產業需要建設產能管控體系[J].裝備制造，2011(4)：48-51.

[8] 鄒穎.綠色建筑并網型光伏發電系統設計研究[J].建筑電氣，2013(2)：29-34.

[9] 葉琴瑜，胡天友，秦文.光伏并網電站智能監控系統的設計與實現[J].自動化儀表，2012，33(5)：64-66，69.

[10] 歐陽麗.含光伏發電和儲能電池的智能微電網經濟調度[J].機械制造，2014，52(7)：93-96.

[11] 王青.基于MODBUS協議的2kW分布式光伏發電站監控系統設計[J].軟件導刊，2015，14(3)：77-79.

The remote monitoring system for distributed PV power station was designed on the basis of the 1.52MW distributed PV power generation and parallel network system built by a biomass power generation company in Shanxi. The system has main functions such as real-time data acquisition and display device, remote monitoring device, equipment failure information and detection, power prediction and optimizing regulation. After field installation and commissioning, the system could meet the relevant standards and technical requirements and service in good condition.

PV Power Station； Remote Monitoring； Design; Application

*上海市科學技術委員會基金項目(編號：14DZ1203400)

2016年4月

楊杰(1986— )，男，碩士，助理工程師，主要從事分布式能源遠程監控系統設計研究工作， E-mail：yangjie4@shanghai-electric.com

TM615

A

1674-540X(2016)04-005-05